EP2638251B1 - Verfahren zum betrieb eines solarthermischen parabolrinnenkraftwerks - Google Patents

Verfahren zum betrieb eines solarthermischen parabolrinnenkraftwerks Download PDF

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EP2638251B1
EP2638251B1 EP12704388.3A EP12704388A EP2638251B1 EP 2638251 B1 EP2638251 B1 EP 2638251B1 EP 12704388 A EP12704388 A EP 12704388A EP 2638251 B1 EP2638251 B1 EP 2638251B1
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EP
European Patent Office
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steam generator
solar
thermal
feedwater
heat transfer
Prior art date
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EP12704388.3A
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French (fr)
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EP2638251A1 (de
Inventor
Jan BRÜCKNER
Frank Thomas
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K13/00—General layout or general methods of operation of complete plants
    • F01K13/02—Controlling, e.g. stopping or starting
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S10/00—Solar heat collectors using working fluids
    • F24S10/30—Solar heat collectors using working fluids with means for exchanging heat between two or more working fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B1/00—Methods of steam generation characterised by form of heating method
    • F22B1/006—Methods of steam generation characterised by form of heating method using solar heat
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B35/00—Control systems for steam boilers
    • F22B35/06—Control systems for steam boilers for steam boilers of forced-flow type
    • F22B35/10—Control systems for steam boilers for steam boilers of forced-flow type of once-through type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S23/00—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors
    • F24S23/70—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors
    • F24S23/74—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors with trough-shaped or cylindro-parabolic reflective surfaces
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y02E10/44—Heat exchange systems

Definitions

  • the invention relates to a method for operating an indirectly heated, solar thermal steam generator with a heat transfer medium, wherein the flow medium side of a device for adjusting the feedwater mass flow ⁇ a set value ⁇ s for the feedwater mass flow ⁇ is supplied. It also relates to an indirectly heated solar thermal steam generator with a heat transfer medium and with a device for adjusting the feedwater mass flow ⁇ , and a solar thermal parabolic trough power plant with an indirectly heated solar thermal steam generator.
  • Solar thermal power plants represent an alternative to conventional power generation.
  • An already known power plant concept in this area is the so-called parabolic trough power plant.
  • thermal oil is usually used as the heat transfer medium, which flows through the parabolic troughs and absorbs the heat introduced via the sun.
  • the heat absorbed by the oil is used in an additional steam generator to generate steam.
  • the steam generator tubes filled with steam are flowed around by the heated thermal oil, which gives off its heat to the colder steam generator tubes.
  • the steam generated in the pipes then drives a conventional steam turbine.
  • the forced flow principle represents a possible embodiment.
  • the feed water entering the steam generator is in principle warmed up in one pass, evaporated and superheated.
  • the superheated medium is fed directly to the turbine without further measures (eg cooling via additional injections).
  • the live steam temperature can only be set accurately by selecting the correct feedwater mass flow,, or fluctuations in the feedwater quantity are directly linked to fluctuations in the live steam temperature.
  • the feedwater mass flow ⁇ should be changed as synchronously as possible to the heat input through the heat transfer medium in the steam generator, because otherwise a deviation of the specific enthalpy of the live steam from the setpoint at the outlet of the steam generator can not be safely avoided.
  • Such an undesirable deviation of the specific enthalpy makes it difficult to regulate the temperature of the live steam emerging from the steam generator and moreover leads to high material loads and thus to a reduced service life of the entire steam generator.
  • the object of the invention is therefore to provide a method for operating a solar-heated forced-circulation steam generator, which is characterized in particular in transient operations by a particularly high reliability and the quality of controllability. Furthermore, a particularly suitable for carrying out the process solar thermal steam generator should be specified.
  • the WO-A2-2012 / 028495 describes a solar heated continuous steam generator. Here, however, the feed water is heated directly by irradiated solar energy.
  • the D1 thus does not disclose and does not suggest that in an indirectly heated steam generator by the correction value thermal storage effects of stored and stored thermal energy are corrected in the heat transfer medium.
  • the WO-A2-2009 / 150055 treated a non-solar thermal operated continuous steam generator with a similar control in parts as in claim 1.
  • the D2 is heated directly, without heat transfer medium in an indirect, extra circulation.
  • the possibility of thermal storage effects of stored and stored thermal energy from the indirect circuit is also missing here.
  • the invention is based on the idea to apply a concept of predictive or predictive mass flow control for an indirectly heated, solar thermal steam generator to improve the control quality in the adjustment of the feedwater mass flow ⁇ .
  • the core of the invention is to consistently take into account as relevant recognized correction values in the determination of a suitable setpoint ⁇ s for the feedwater mass flow ⁇ .
  • a correction value K T it is possible to compensate for thermal storage effects that occur especially in transient processes in the form of storage or withdrawal of thermal energy.
  • the type of predictive feedwater flow control allows deviations of the specific enthalpy at the steam generator outlet From the setpoint and resulting undesirable large temperature fluctuations in all operating conditions of the steam generator, so in particular to keep as low as possible in transient states or load changes.
  • the required feedwater setpoint values are also provided during load changes as a function of the current or expected future operating state.
  • the correction value K T the thermal storage effects corrected by stored or stored thermal energy in the tube walls of the solar thermal steam generator.
  • the correction value K T also advantageously corrects the thermal storage effects of stored or stored thermal energy in the heat transfer medium.
  • the total amount of heat Q ⁇ of the solar thermal steam generator is taken into account in setting the set value ⁇ s , the total amount of heat Q ⁇ is determined from an enthalpy difference between on the one hand the enthalpy of the heat transfer medium at the entrance of the solar thermal steam generator and the enthalpy of the heat transfer medium on Outlet of the solar thermal steam generator and on the other hand, the measured mass flow of the heat transfer medium at the entrance of the solar thermal steam generator.
  • the total heat output Q ⁇ is calculated from the product of the enthalpy difference and the mass flow of the heat transfer medium.
  • additional temperature measurements are made heat transfer medium side at the appropriate locations.
  • these measured values for calculating the enthalpies can be slightly delayed over, for example, a PT3 element.
  • the total heat output is divided Q of the heat carrier medium through the enthalpy rise of the supply water (desired enthalpy).
  • the water-vapor-side enthalpies at the steam generator inlet and outlet are required.
  • the temperature and the pressure on the flow medium side to determine the enthalpy of entry measured at the steam generator inlet and converted into a corresponding actual enthalpy.
  • the pressure is also metrologically detected on the flow medium side, and then converted into a corresponding setpoint enthalpy, taking into account the desired live steam temperature (temperature setpoint).
  • the warm-up period of the feedwater is formed from the difference between set point enthalpy at the steam generator outlet and actual enthalpy at the steam generator inlet.
  • a correction value K F S M in the setting of the target value continues to take into account, whereby corrected by the correction value K F water-steam side of the solar thermal storage effects steam generator.
  • the steam generator flow determined by the predictive feedwater setpoint calculation can be additionally corrected by superimposed control loops so that the required fresh steam temperature setpoint at the steam generator outlet can actually be permanently achieved.
  • the correction control of the predicted feedwater mass flow it must be taken into account that, for reasons of regulator stability, this can only be carried out very slowly and with a low controller gain. Strong temporary deviations from the predetermined target value, which result due to physical mechanisms as a result of transient operation of the solar thermal steam generator heated with a heat transfer medium, can only be minimally or not at all reduced by these correction control loops. Therefore, additional measures must be used to improve the predictive determination of the feedwater setpoint, the temporary ones To minimize deviations from the setpoint even during fast transient processes.
  • correction value K T feed water-side injection and withdrawal processes within the steam generator tubes are taken into account in this particular further development of the method according to the invention by a correction value K F.
  • K T and K F By applying both correction values K T and K F, it is possible to respond in a suitable manner to physical mechanisms which temporarily act in transient operation on the water-steam-side flow through the steam generator and thus result in deviations of the actual enthalpy at the outlet of the steam generator to the predetermined setpoint on the flow medium side become.
  • the correction value K T is to distinguish between two different mechanisms.
  • thermodynamic state values such as the live steam temperature, the pressure (for the subcritical case thus also the boiling temperature of the flow medium) and the feedwater temperature generally change in the steam generator on the flow medium side.
  • the material temperature of the steam generator tubes is not constant and is larger or smaller depending on the direction. Consequently, thermal energy is expelled into or out of the tube walls in the tube walls.
  • Q ⁇ which outputs the heat transfer medium to the feed water
  • the input signal of the differentiating element is an average material temperature of all steam generator tubes to be defined and used.
  • the average material temperature can be determined, for example, via the variables known from the process, such as live steam temperature, system pressure, feedwater temperature, and possibly also taking into account the measured temperatures of the heat transfer medium.
  • the on or off additional heat output can also be determined here by means of a differentiating element of the first order (DT1 element) with a suitable time constant.
  • an average temperature of the heat transfer medium is also to be determined, which is to be used as the input signal of this DT1 element.
  • the average temperature can preferably be determined functionally from the measured temperatures of the heat transfer medium at the steam generator inlet and outlet. It is also conceivable for the determination of this average heat transfer medium temperature to use further known process parameters, other characteristic values or even additional temperature measurements along the flow path of the heat transfer medium in the steam generator.
  • the output signal of the DT1 element is preferably multiplied by the volume which occupies the heat transfer medium in the balancing chamber of the steam generator, the density of the heat transfer medium and the specific heat capacity of the heat transfer medium and the reciprocal value of the time constant of the DT1 element. It should be noted that both the density and the specific heat capacity of the heat transfer medium are temperature-dependent, and can be determined, for example, using the already determined average temperature of the heat transfer medium. Under these circumstances, the additional heat output is also quantified in this case.
  • the correction value K T is known, which is used to determine the feedwater mass flow setpoint ⁇ s is to be deducted from the total thermal output Q ⁇ .
  • the enthalpy fluctuations can be selected by selecting a suitable input signal (eg inlet subcooling of the steam generator, inlet enthalpy of the steam generator or the feedwater temperature itself), a suitable time constant and a suitable gain. Reduce effectively at the outlet of the solar thermal steam generator again.
  • a suitable input signal eg inlet subcooling of the steam generator, inlet enthalpy of the steam generator or the feedwater temperature itself
  • the solar thermal steam generator is integrated into a solar thermal parabolic trough power plant with a number of parabolic troughs through which the heat transfer medium is heated solar thermal.
  • the feedwater setpoint determination according to the invention is used in oil-heated, solar-thermal steam generators, constant live steam temperatures can be ensured even for highly unsteady operating states, such as occur increasingly in solar-heated power plants (for example cloud passage).
  • the availability of the entire power plant can be improved by a material-saving concept.
  • the inventive concept is also suitable for modular use in several solar-heated steam generators of a single parabolic trough power plant.
  • the concept can also be used without significant changes in combination with other components such as injection coolers.
  • the heat transfer medium may be, for example, a thermal oil or a molten salt.
  • suitable metal melts as heat transfer medium is possible.
  • the object directed to a device object of the invention is achieved by the features of claim 9.
  • the indirectly heated solar thermal steam generator is particularly advantageous integrated into a solar thermal parabolic trough power plant, and connected to supply the superheated heat transfer medium with a number of parabolic troughs, by focused solar incidence can be applied directly.
  • the object of the invention directed to a device is also solved by the features of claim 12.
  • the advantages achieved by the invention are in particular that by taking into account the time derivative the enthalpy, temperature or the density of the feed water at the inlet of the steam generator, a correction of the detected as part of a predictive mass flow control setpoint for the feed-water mass flow M is provided, in which also the input and Aus shallvorticiann thermal energy of the tube material can be accounted suitable.
  • a particularly high-quality determination of a demand-based setpoint for the feedwater mass flow ⁇ is possible just when occurring load changes or other transient processes.
  • FIG. 1 shows a schematic control diagram of a feedwater setpoint determination for the steady-state operation of a solar thermal steam generator 3 in a parabolic trough power plant 1. Shown is the indirectly heated solar thermal steam generator 3, a device for adjusting the feedwater mass flow 5 and a feedwater flow control 11 as essential components.
  • the circuit is part of a solar thermal parabolic trough power plant 1, which still includes here not shown parabolic troughs and a power plant part with a steam turbine.
  • the solar thermal steam generator 3 is designed for the supply of thermal oil 4 as a heat transfer medium and thermoölmann textbook feeding with a thermal oil supply line 13, and connected to a thermo-oil discharge line 14.
  • the solar thermal steam generator 3 is also feeding water side feeding with a feedwater supply line 15 and connected to a steam line 16. By the solar thermal steam generator 3 thus heat energy can be transferred from the highly heated thermal oil 4 to the feed water, wherein the feed water is evaporated.
  • the solar thermal steam generator 3 is also designed for a regulated admission with feed water.
  • the device for adjusting the feedwater mass flow 5 comprises a servomotor 18 which actuates a throttle valve 19, so that the feed water quantity or the feedwater mass flow ⁇ conveyed by a feedwater pump 17 in the direction of the solar thermal steam generator 3 can be adjusted via a corresponding actuation of the throttle valve 19.
  • a measuring device 20 for determining the feedwater mass flow ⁇ through the feedwater line is connected upstream of the throttle valve 19 in the feedwater feed line.
  • the servo motor 18 is controlled via a control element 21, the input side with a supplied via a data line 22 setpoint ⁇ s for the Feedwater mass flow ⁇ and with the determined via the measuring device 20 actual value of the feedwater mass flow ⁇ is acted upon.
  • a Nach Adjustsp is transmitted, so that in case of a deviation of the actual from the setpoint, a corresponding tracking of the throttle valve 19 via the control of the motor 18 takes place.
  • the data line 22 is connected on the input side to the feedwater flow control 11 designed to specify the desired value ⁇ s for the feedwater mass flow ⁇ .
  • the setpoint ⁇ s is determined on the basis of a heat flow balance in the solar thermal steam generator 3 on the ratio of the current in the solar thermal steam generator 3 through the thermal oil 4 on the feed water heat flow on the one hand and determined in view of the desired live steam condition setpoint enthalpy of the feedwater on the other ,
  • the feedwater flow control 11 has a divider 23.
  • the counter is provided to the divider 23 by a function module 24.
  • the functional module 24 determines the thermal power Q ⁇ introduced into the solar thermal steam generator 3 by multiplying the enthalpy difference of the thermal oil 4 at the inlet and outlet of the solar thermal steam generator 3 by the mass flow of the thermal oil 4. To provide the mass flow of the thermal oil 4 before entering the solar thermal steam generator the functional module 24 is connected to a measuring device 31, which is connected in the thermal oil supply line 13. To provide the enthalpy difference of the thermal oil 4, the functional module 24 is connected to an evaluation unit 25.
  • the first module 27 for calculating the enthalpy at the inlet of the solar thermal steam generator 3 and a second module 28 for calculating the enthalpy at the outlet of the solar thermal steam generator 3 connected.
  • the first module 27 is connected to a first oil temperature measuring unit 29, which is connected in the thermal oil supply line 13 at the inlet of the solar thermal steam generator 3, and the second module 28 is connected to a second oil temperature measuring unit 30, which in the thermal oil discharge line 14 at the outlet the solar thermal steam generator 3 is connected.
  • the entry of thermal oil refers to a region of the solar thermal steam generator 3 in which no heat energy of the thermal oil has been transferred to the feed water.
  • the exit of the thermal oil is an area of the solar thermal steam generator 3 in which the thermal energy of the thermal oil was transferred to the feed water accordingly.
  • the measurement of the mass flow of the thermal oil takes place before entering the steam generator.
  • the divider 23 is connected on the input side to a function module 32.
  • the functional module 32 forms the enthalpy difference from a calculated target enthalpy at the outlet of the solar thermal steam generator 3 and a measured actual enthalpy of the feed water before entering the solar thermal steam generator 3.
  • the actual value of the current enthalpy of the feedwater before entering the solar thermal steam generator 3 is determined by an evaluation unit 33, and transmitted to the function module 32.
  • the evaluation unit 33 is connected to a pressure measuring device 35 and to a temperature measuring device 36, which are each connected in the feedwater supply line 15.
  • the desired enthalpy at the outlet of the solar thermal steam generator 3 is calculated by a function module 34. This setpoint is determined from the desired live steam temperature (Live steam temperature set point) and the measured pressure at the outlet of the solar thermal steam generator 3. The data on the pressure at the outlet of the solar thermal steam generator 3 are provided to the functional module 34 by a pressure sensor 37.
  • the enthalpy increase of the flow medium in the solar thermal steam generator 3 which is required as a function of the desired live steam state is thus determined, which is used as a denominator in the divider 23.
  • the divider 23 calculates the required mass flow signal.
  • FIG. 2 a control diagram for predictive feedwater setpoint determination for transient operation.
  • thermodynamic state values change, such as the live steam temperature, the pressure (thus for subcritical systems, the boiling temperature of the flow medium) and the feedwater temperature.
  • the material temperature of the steam generator tubes is not constant and is larger or smaller depending on the direction. Consequently, thermal energy is expelled into or out of the tube walls in the tube walls. Accordingly, compared with the thermal heat of the thermal oil, more or less heat is temporarily available for the steam generation process of the flow medium, depending on the direction of the material temperature change.
  • correction value K T is a characteristic heat flow characteristic, by which the injection and withdrawal effects of the Steam generator tubes can be determined. This is equally applicable to both subcritical and supercritical systems.
  • a subtractor 40 is provided, which is connected between the functional module 24 and the divider 23.
  • the subtracter 40 forms the difference between the introduced into the steam generator thermal power Q (total heat absorption) and the correction value K T and passes the result as a corrected introduced amount of heat Q corr further dividing element to the 23rd
  • the correction value K T is provided to the subtractor by a differentiator 41.
  • an average material temperature of all steam generator tubes is to be defined and used as the input signal.
  • the mean material temperature can be determined via the variables known from the process, namely, the live steam temperature, the system pressure, and the feedwater temperature. If this average material temperature now changes and if this temporal change (evaluated via the differentiating element 41) is multiplied by the mass of the entire steam generator tubes and the specific heat capacity of the evaporator material, the amounts of heat injected or expelled in the tube wall can be quantified in the form of the correction value K T become.
  • the temporal behavior of the described memory effects can be simulated relatively accurately, so that this additional effect of the storage or withdrawal of heat of the metal masses based on transient processes can be calculated directly.
  • FIG. 3 shows an alternative embodiment of the in FIG. 2 shown predictive feedwater mass flow setpoint determination.
  • another differentiator 45 is provided, through which the memory effects of thermal energy can be determined in the thermal oil.
  • the differentiating element 45 also evaluates parameters known from the process, such as, for example, the measured oil temperature at the steam generator inlet or steam generator outlet or a mean oil temperature which has previously been functionally determined from these two temperature measured values. If the output signal of this differentiating element 45 is then multiplied by the total oil volume, the density and the specific heat capacity of the oil, the amounts of heat that are injected into or withdrawn from the thermal oil can likewise be quantified. With a suitable time constant of the differentiator 45, the temporal behavior of the memory effects in the thermal oil can be well simulated. As a result, this additional effect of storing or removing heat into the thermal oil based on transient processes can be directly calculated.
  • the output signals of the differentiator 41 and the differentiator 45 are summed in a functional element 45 and form the correction value K T , which is provided to the subtractor 40 as an input signal.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of an indirectly heated solar thermal steam generator in a particular development for the transient operation with predictive feedwater mass flow setpoint determination.
  • FIG. 4 Starting from FIG. 3 is in FIG. 4 Furthermore, an adder 42 is shown, which is connected in the data line 22, and the set value ⁇ s corrected by the correction value K F.
  • the adder is part of the feedwater flow control 11.
  • the correction value K F is supplied to the adder 42 via a differentiator 43.
  • the differentiator 43 is to be parameterized with an appropriate time constant and a suitable amplification in order to determine the enthalpy fluctuations (variations in the live steam temperature) on the basis of the input signal Exit the solar thermal steam generator 3 effectively reduce.
  • the feedwater desired value determination according to the invention is used in oil-heated, solar thermal steam generators 3, constant live steam temperatures in the BENSON mode can be ensured even for highly unsteady operating states, such as occur increasingly in solar-heated power plants (eg cloud passage).
  • a material-saving concept can improve the availability of the entire system become.
  • the inventive concept is also suitable for modular use in several solar-heated steam generators of a single parabolic trough power plant.
  • the concept can also be used without significant changes in combination with other components such as injection coolers.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines indirekt beheizten, solarthermischen Dampferzeugers mit einem Wärmeträgermedium, bei dem strömungsmediumsseitig einer Vorrichtung zur Einstellung des Speisewassermassenstroms Ṁ ein Sollwert Ṁs für den Speisewassermassenstrom Ṁ zugeführt wird. Sie bezieht sich weiterhin auf einen indirekt beheizten solarthermischen Dampferzeuger mit einem Wärmeträgermedium und mit einer Vorrichtung zum Einstellen des Speisewassermassenstroms Ṁ, und ein solarthermisches Parabolrinnenkraftwerk mit einem indirekt beheizten solarthermischen Dampferzeuger.
  • Dem stetig steigenden Energiebedarf und dem Klimawandel muss mit dem Einsatz von nachhaltigen Energieträgern entgegengetreten werden. Sonnenenergie ist solch ein nachhaltiger Energieträger. Sie ist klimaschonend, in unerschöpflichem Maße vorhanden und stellt keine Belastung für nachkommende Generationen dar.
  • Solarthermische Kraftwerke stellen eine Alternative zur herkömmlichen Stromerzeugung dar. Ein bereits bekanntes Kraftwerkskonzept in diesem Bereich ist das sogenannte Parabolrinnenkraftwerk. In diesem Kraftwerkstyp wird üblicherweise Thermoöl als Wärmeträgermedium verwendet, welches die Parabolrinnen durchströmt und die über die Sonne eingebrachte Wärme aufnimmt. In der Regel wird die vom Öl aufgenommene Wärme in einem zusätzlichen Dampferzeuger genutzt, um Dampf zu erzeugen. Dabei werden die mit Wasserdampf gefüllten Dampferzeugerrohre von dem erhitzten Thermoöl umströmt, welches seine Wärme an die kälteren Dampferzeugerrohre abgibt. Der in den Rohren erzeugte Dampf treibt dann eine konventionelle Dampfturbine an.
  • Für den Dampferzeuger stellt das Zwangdurchlaufprinzip eine mögliche Ausführungsform dar. Dabei wird das in den Dampferzeuger eintretenden Speisewasser vom Prinzip her in einem Durchgang aufgewärmt, verdampft und überhitzt. Das überhitzte Medium wird ohne weitere Maßnahmen (z.B. Abkühlung über zusätzliche Einspritzungen) unmittelbar der Turbine zugeführt. Somit kann schlussfolgernd die Frischdampftemperatur nur durch die Wahl des richtigen Speisewassermassenstrom Ṁ genau eingestellt werden, bzw. sind Schwankungen der Speisewassermenge unmittelbar mit Schwankungen der Frischdampftemperatur verknüpft.
  • Der Speisewassermassenstrom Ṁ sollte möglichst synchron zum Wärmeeintrag durch das Wärmeträgermedium in den Dampferzeuger geändert werden, weil sonst eine Abweichung der spezifischen Enthalpie des Frischdampfes vom Sollwert am Austritt des Dampferzeugers nicht sicher vermieden werden kann. Eine solche unerwünschte Abweichung der spezifischen Enthalpie erschwert die Regelung der Temperatur des aus dem Dampferzeuger austretenden Frischdampfes und führt darüber hinaus zu hohen Materialbelastungen und somit zu einer reduzierten Lebensdauer des gesamten Dampferzeugers.
  • Es besteht bei solarthermischen Kraftwerksanlagen der Bedarf den Ungenauigkeiten infolge z.B. Änderungen in der solaren Inzidenz mit der Vorgabe eines insbesondere bei Änderung der Gesamtwärmeaufnahme oder bei Lastwechseln besonders bedarfsgerechten Sollwerts für den Speisewassermassenstrom effektiv zu begegnen.
  • Gerade bei solarthermisch basierten Energieerzeugungssystemen können ausreichend stabile und eindeutig auf einen vor bestimmten, konstanten solaren Energieeintrag zurückführbare Systemeigenschaften insgesamt nicht vorausgesetzt werden. Zudem ist bei derartigen, als indirekte Dampferzeuger ausgestalteten Anlagen eine solare Primärleistung auf die Parabolrinnen nicht im selben Maße als freier Parameter nutzbar wie bei konventionell gefeuerten Kesseln.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Verfahren zum Betreiben eines solarbeheizten Zwangsdurchlauf-Dampferzeugers bereitzustellen, das sich insbesondere bei instationären Vorgängen durch eine besonders hohe Zuverlässigkeit und der Qualität der Regelbarkeit auszeichnet. Des Weiteren soll ein für die Durchführung des Verfahrens besonders geeigneter solarthermischer Dampferzeuger angegeben werden.
  • Die auf ein Verfahren gerichtete Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1.
  • Die WO-A2-2012/028495 beschreibt einen solar beheizten Durchlaufdampferzeuger. Hier wird aber das Speisewasser direkt mittels eingestrahlter Sonnenenergie erhitzt. Die D1 offenbart somit nicht und legt auch nicht nahe, dass bei einem indirekt beheizten Dampferzeuger durch den Korrekturwert thermische Speichereffekte von ein- und ausgespeicherter thermischer Energie in das Wärmeträgermedium korrigiert werden.
  • Die WO-A2-2009/150055 behandelt einen nicht solarthermisch betriebenen Durchlaufdampferzeuger mit einem in Teilen ähnlichen Regelverfahren wie in Anspruch 1. Allerdings wird auch die D2 direkt beheizt, ohne Wärmeträgermedium in einem indirekten, extra Kreislauf. Somit fehlt auch hier die Möglichkeit thermische Speichereffekte von ein- und ausgespeicherter thermischer Energie aus dem indirekte Kreislauf zu berücksichtigen.
  • Außerdem wird die auf einer indirekt beheizter solarthermischer Dampferzeuger gerichtete Aufgabe gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 8.
  • Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, ein Konzept einer prädiktiven oder vorausschauenden Massenstromregelung für einen indirekt beheizten, solarthermischen Dampferzeuger zur Verbesserung der Ansteuerqualität bei der Einstellung des Speisewassermassenstroms Ṁ anzuwenden. Kern der Erfindung ist es dabei, bei der Ermittlung eines geeigneten Sollwerts Ṁs für den Speisewassermassenstrom Ṁ konsequent als einschlägig erkannte Korrekturwerte zu berücksichtigen. Durch die Berücksichtigung eines Korrekturwertes KT ist es möglich, thermische Speichereffekte auszugleichen, die insbesondere bei instationären Vorgängen in Form von Ein- oder Ausspeicherung von thermischer Energie auftreten.
  • Die Art der prädiktiven Speisewasserdurchflussregelung ermöglicht Abweichungen der spezifischen Enthalpie am Dampferzeugeraustritt vom Sollwert und daraus resultierende unerwünscht große Temperaturschwankungen in allen Betriebszuständen des Dampferzeugers, also insbesondere auch in transienten Zuständen oder bei Lastwechseln, möglichst gering zu halten. Dabei werden insbesondere auch bei Lastwechseln die notwendigen Speisewasser-Sollwerte in Abhängigkeit vom aktuellen oder für die nächste Zukunft zu erwartenden Betriebszustand bereitgestellt.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden durch den Korrekturwert KT die thermischen Speichereffekte von ein- oder ausgespeicherter thermischer Energie in die Rohrwände des solarthermischen Dampferzeugers korrigiert. Alternativ oder zusätzlich zu der Berücksichtigung der thermischen Energie in den Rohrwänden werden durch den Korrekturwert KT vorteilhaft auch die thermischen Speichereffekte von ein- oder ausgespeicherter thermischer Energie in das Wärmeträgermedium korrigiert.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird bei der Einstellung des Sollwerts Ṁ s weiterhin die Gesamtwärmemenge Q̇ des solarthermischen Dampferzeugers berücksichtigt, wobei die Gesamtwärmemenge Q̇ ermittelt wird aus einer Enthalpiedifferenz zwischen einerseits der Enthalpie des Wärmeträgermediums am Eintritt des solarthermischen Dampferzeugers und der Enthalpie des Wärmeträgermediums am Austritt des solarthermischen Dampferzeugers und andererseits dem gemessenen Massenstrom des Wärmeträgermediums am Eintritt des solarthermischen Dampferzeugers.
  • Vorteilhaft wird die Gesamtwärmeleistung Q̇ dabei aus dem Produkt der Enthalpiedifferenz und dem Massenstrom des Wärmeträgermediums berechnet. Zur Ermittlung der Enthalpien des Wärmeträgermediums am Dampferzeugerein- und austritt werden zusätzliche Temperaturmessungen wärmeträgermediumsseitig an den entsprechenden Stellen vorgenommen. Zur Berücksichtigung instationärer Effekte der Wärmeleitung durch die Dampferzeugerrohrwand können diese Messwerte zur Berechnung der Enthalpien dabei geringfügig über beispielsweise ein PT3-Glied verzögert werden.
  • Um den Speisewassermassenstromsollwert Ṁ s zumindest für den stationären Lastbetrieb zu ermitteln, wird die Gesamtwärmeleistung Q̇ des Wärmeträgermediums durch die Aufwärmspanne des Speisewassers (gewünschte Enthalpieerhöhung) dividiert. Zur Ermittlung der Aufwärmspanne des Speisewassers werden die Wasser-Dampf-seitigen Enthalpien am Dampferzeugerein- und Austritt benötigt. Hierfür werden zur Ermittlung der Eintrittsenthalpie die Temperatur und der Druck strömungsmediumsseitig am Dampferzeugereintritt gemessen und in eine entsprechende Istenthalpie umgerechnet. Am Dampferzeugeraustritt wird strömungsmediumsseitig ebenfalls der Druck messtechnisch erfasst, und dann unter Berücksichtigung der gewünschten Frischdampftemperatur (Temperatursollwert) in eine entsprechende Sollwertenthalpie umgerechnet. Die Aufwärmspanne des Speisewassers wird gebildet aus der Differenz aus Sollwertenthalpie am Dampferzeugeraustritt und Istenthalpie am Dampferzeugereintritt.
  • Auf diese Weise ist eine besonders bedarfsgerechte, am Anlagen-Ist Zustand orientierte vorgesteuerte Berechnung der erforderlichen Speisewassermenge auf der Grundlage einer Wärmestrombilanzierung ermöglicht.
  • In einer besonders vorteilhaften Weiterentwicklung des Verfahrens wird bei der Einstellung des Sollwerts Ṁ s weiterhin ein Korrekturwert KF berücksichtigt, wobei durch den Korrekturwert KF wasser-dampfseitige Speichereffekte des solarthermischen Dampferzeugers korrigiert werden.
  • Darüber hinaus kann der mit der prädiktiven Speisewassersollwertermitlung bestimmte Dampferzeugerdurchfluss durch überlagerte Regelkreise zusätzlich korrigiert werden, sodass der geforderte Frischdampftemperatursollwert am Dampferzeugeraustritt auch tatsächlich dauerhaft zu erreichen ist. Für die Korrekturregelung des vorausberechneten Speisewassermassenstroms ist allerdings zu berücksichtigen, dass dies aus Gründen der Reglerstabilität nur sehr langsam und mit geringer Reglerverstärkung durchgeführt werden kann. Starke temporäre Abweichungen zum vorgegebenen Sollwert, die sich aufgrund physikalischer Mechanismen in Folge instationärer Betriebsweise des mit einem Wärmeträgermedium beheizten solarthermischen Dampferzeugers ergeben, lassen sich durch diese Korrekturregelkreise nur unwesentlich bzw. gar nicht reduzieren. Daher ist durch zusätzliche Maßnahmen die prädiktive Speisewassersollwertermittlung dahingehend zu ertüchtigen, die temporären Abweichungen zum vorgegebenen Sollwert auch während schneller transienter Vorgänge zu minimieren.
  • Ausgehend von dieser Zielsetzung werden in dieser besonderen Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens neben dem Korrekturwert KT, durch einen Korrekturwert KF speisewasserseitige Ein- und Ausspeichervorgänge innerhalb der Dampferzeugerrohre berücksichtigt. Durch die Anwendung beider Korrekturwerte KT und KF kann auf physikalische Mechanismen, die im instationären Betrieb temporär auf die wasser-dampfseitige Durchströmung des Dampferzeugers wirken und somit strömungsmediumsseitig in Abweichungen der tatsächlichen Enthalpie am Austritt des Dampferzeugers zum vorgegebenen Sollwert resultieren, auf geeignete Weise reagiert werden. Für die Ermittlung des Korrekturwerts KT ist zwischen zwei unterschiedlichen Mechanismen zu unterscheiden.
  • Bei instationären Vorgängen ändern sich strömungsmediumsseitig im Dampferzeuger generell thermodynamische Zustandswerte wie beispielsweise die Frischdampftemperatur, der Druck (für den unterkritischen Fall somit auch die Siedetemperatur des Strömungsmediums) sowie die Speisewassertemperatur. Infolge dieser Änderungen ist auch die Materialtemperatur der Dampferzeugerrohre nicht konstant und wird je nach Richtung größer oder kleiner. Folglich wird thermische Energie in die Rohrwände ein- oder aus den Rohrwänden ausgespeichert. Verglichen mit der bilanzierten Gesamtwärmeleistung Q̇, die das Wärmeträgermedium an das Speisewasser abgibt, steht demnach für den Dampferzeugungsprozess je nach Richtung der Materialtemperaturänderung temporär mehr oder weniger Wärme zur Verfügung. Bei vorgegebenem Enthalpiesollwert bzw. Frischdampftemperatursollwert am Austritt des solarthermischen Dampferzeugers ist daher zur Vorausberechnung des benötigten Speisewassermassenstromsollwerts Ṁ s dieser nicht unerhebliche Einfluss im Regelungskonzept zwangsläufig zu berücksichtigen.
  • Durch ein Differenzierglied erster Ordnung (DT1-Element) lässt sich dieser physikalische Effekt regelungstechnisch abbilden. Als Eingangssignal des Differenzierglieds ist eine mittlere Materialtemperatur aller Dampferzeugerrohre zu definieren und zu verwenden. Hier kann beispielsweise über die aus dem Prozess bekannten Größen Frischdampftemperatur, Systemdruck, Speisewassertemperatur und gegebenenfalls auch noch unter Berücksichtigung der gemessenen Temperaturen des Wärmeträgermediums die mittlere Materialtemperatur bestimmt werden. Ändert sich nun diese mittlere Materialtemperatur und wird der Ausgang des Differenzierglieds mit der Masse der gesamten Dampferzeugerrohre und der spezifischen Wärmekapazität des Verdampfermaterials sowie dem Kehrwert der Zeitkonstanten des Differenzierglieds multipliziert, können die in die Rohrwand ein- bzw. die aus der Rohrwand ausgespeicherten Wärmemengen quantifiziert werden. Durch die Wahl einer geeigneten Zeitkonstante dieses Differenzierglieds lässt sich das zeitliche Verhalten der beschriebenen Speichereffekte relativ genau nachbilden, so dass dieser auf instationären Vorgängen beruhende zusätzliche Effekt des Ein- bzw. Ausspeicherns von Wärme der Metallmassen direkt berechnet werden kann. Dies ist gleichermaßen für unter- wie überkritische Systeme anwendbar.
  • Alternativ wäre auch eine direkte Messung der Materialtemperatur an charakteristischen Stellen der Dampferzeugerrohre denkbar. Unter diesen Umständen könnte eine Änderung der Metalltemperatur auf direktem Weg berücksichtigt werden. In diesem Fall wäre sowohl die Anzahl der Differenzierglieder als auch deren entsprechende Verstärkungsfaktoren (im Wesentlichen Masse der Dampferzeugerrohre) der Anzahl der Metalltemperaturmessungen anzupassen. Der Vorteil dieser doch messtechnisch aufwändigeren Variante würde in einer genaueren Bestimmung der ein- bzw. ausgespeicherten Wärmemenge resultieren.
  • Neben dieser Ein- und Ausspeichervorgänge von zusätzlicher Wärmeenergie aus dem Material der Dampferzeugerrohre spielen darüber hinaus im instationären Betrieb des solarthermischen Dampferzeugers auch Ein- und Ausspeichervorgänge an thermischer Energie des Wärmeträgermediums eine nicht zu vernachlässigende Rolle. Reduziert sich beispielsweise das mittlere Temperaturniveau des Wärmeträgermediums im gesamten Dampferzeuger wird weitere Wärme frei, die durch die Dampferzeugerrohre zusätzlich aufgenommen wird. Es steht daher im Vergleich zur bilanzierten Gesamtwärmeleistung Q̇ mehr Wärmeleistung für den Dampferzeugungsprozess zur Verfügung. Für den umgekehrten Fall steht schlussfolgernd weniger Wärme zur Verfügung. Diese Effekte sind ebenfalls zur korrekten Vorausbestimmung des notwendigen Speisewassermassenstromsollwerts Ṁ s unbedingt zu berücksichtigen. Vorzugsweise kann auch hier die ein- bzw. ausgespeicherte zusätzliche Wärmeleistung mit Hilfe eines Differenzierglieds erster Ordnung (DT1-Glied) mit geeigneter Zeitkonstante ermittelt werden. Hierzu ist ebenfalls eine mittlere Temperatur des Wärmeträgermediums zu ermitteln, die als Eingangssignal dieses DT1-Glieds zu verwenden ist. Die mittlere Temperatur kann vorzugsweise aus den gemessenen Temperaturen des Wärmeträgermediums am Dampferzeugerein- und austritt funktional bestimmt werden. Denkbar ist zur Ermittlung dieser mittleren Wärmeträgermediumstemperatur auch die Verwendung weiterer bekannter Prozessparameter, sonstiger Kennwerte oder noch zusätzlicher Temperaturmessungen längs des Strömungswegs des Wärmeträgermediums im Dampferzeuger. Vorzugsweise wird das Ausgangssignal des DT1-Glieds mit dem Volumen, welches das Wärmeträgermedium im Bilanzraum des Dampferzeugers einnimmt, der Dichte des Wärmeträgermediums und der spezifischen Wärmekapazität des Wärmeträgermediums sowie dem Kehrwert der Zeitkonstanten des DT1-Glieds multipliziert. Dabei ist zu beachten, dass sowohl die Dichte als auch die spezifische Wärmekapazität des Wärmeträgermediums temperaturabhängig sind, und beispielsweise unter Verwendung der bereits ermittelten mittleren Temperatur des Wärmeträgermediums bestimmt werden können. Unter diesen Umständen ist auch in diesem Fall die zusätzliche Wärmeleistung quantifiziert.
  • Werden beide zusätzlichen Wärmemengen aus Rohrwand und Wärmeträgermedium schließlich addiert, ist der Korrekturwert KT bekannt, der zur Bestimmung des Speisewassermassenstromsollwerts Ṁ s von der bilanzierten Gesamtwärmeleistung Q̇ abzuziehen ist.
  • Mit dem zweiten Korrekturwert KF, der direkt auf den Speisewassermassenstromsollwert Ṁ s korrigierend eingreift, werden darüber hinaus weitere störende Einflüsse im Wasser-Dampfkreislauf des solarthermischen Dampferzeugers, die sich aufgrund eines instationären Betriebs ergeben, wirkungsvoll kompensiert. In diesem Zusammenhang wirken sich Störungen der Speisewassertemperatur am Eintritt des solarthermischen Dampferzeugers maßgeblich auf dessen Durchströmung aus. Konkret bedeutet dies, dass mit sinkender Speisewassertemperatur das spezifische Volumen des Strömungsmediums im Eintrittsbereich des solarthermischen Dampferzeugers abnimmt. Aufgrund dieses Vorgangs wird zusätzliches Speisewasser benötigt, welches das nun nicht ausgeschöpfte Volumen der Dampferzeugerrohre zu füllen hat (es wird Speisewasser eingespeichert). Steigt hingegen die Speisewassertemperatur an, tritt der umgekehrte Mechanismus ein. Ist nun infolge instationärer Vorgänge die Speisewassertemperatur am Eintritt des solarthermischen Dampferzeugers Änderungen unterworfen, so ist mit den daraus resultierenden speisewasserseitigen Ein- und Ausspeichervorgänge der Ein- und Austrittsmassenstrom des solarthermischen Dampferzeugers nicht identisch. Dies hat unmittelbar einen Einfluss auf die Dampferzeugeraustrittsenthalpie (Frischdampftemperatur), die unter diesen Umständen selbst bei gleichbleibendem Wärmeeintrag nicht konstant bleiben kann. Daher sind die Auswirkungen schwankender Speisewassertemperaturen am Eintritt des solarthermischen Dampferzeugers ebenfalls durch Gegenmaßnahmen der Speisewassersollwertermittlung (Erhöhung oder Erniedrigung des Speisewassermassenstromsollwerts Ṁ s) zu kompensieren. Wird auch hier ein zusätzliches Differenzierglied erster Ordnung verwendet, lassen sich bei Wahl eines geeigneten Eingangssignals (z.B. Eintrittsunterkühlung des Dampferzeugers, Eintrittsenthalpie des Dampferzeugers oder die Speisewassertemperatur selbst), einer dazu passenden Zeitkonstanten und einer geeigneten Verstärkung die Enthalpieschwankungen (Schwankungen der Frischdampftemperatur) am Austritt des solarthermischen Dampferzeugers abermals effektiv vermindern.
  • In einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform ist der solarthermische Dampferzeuger integriert in ein solarthermisches Parabolrinnenkraftwerk mit einer Anzahl an Parabolrinnen, durch die das Wärmeträgermedium solarthermisch erwärmt wird. Wird die erfindungsgemäße Speisewassersollwertermittlung in ölbeheizten, solarthermischen Dampferzeugern eingesetzt, können auch für stark instationäre Betriebszustände, wie sie in solarbeheizten Kraftwerken vermehrt auftreten (z.B Wolkendurchzug) konstante Frischdampftemperaturen sichergestellt werden. Neben einer somit sicheren Fahrweise bei sich ändernden Wetterbedingungen kann durch ein materialschonendes Konzept die Verfügbarkeit der gesamten Kraftwerksanlage verbessert werden. Darüber hinaus eignet sich das erfindungsgemäße Konzept auch für einen modularen Einsatz in mehreren solarbeheizten Dampferzeugern eines einzelnen Parabolrinnen-Kraftwerks. Zusätzlich kann das Konzept auch ohne nennenswerte Änderungen in Kombination mit anderen Komponenten wie beispielsweise Einspritzkühler verwendet werden.
  • Das Wärmeträgermedium kann beispielsweise ein Thermoöl oder eine Salzschmelze sein. Auch der Einsatz geeigneter Metallschmelzen als Wärmeträgermedium ist möglich.
  • Die auf eine Vorrichtung gerichtete Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 9. Dabei ist der indirekt beheizte solarthermische Dampferzeuger besonders vorteilhaft in ein solarthermisches Parabolrinnenkraftwerk integriert, und zur Zuführung des überhitzten Wärmeträgermediums mit einer Anzahl an Parabolrinnen verbunden, die durch fokussierte solare Inzidenz direkt beaufschlagbar sind. Gelöst wird die auf eine Vorrichtung gerichtete Aufgabe der Erfindung auch durch die Merkmale des Anspruchs 12.
  • Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die Berücksichtigung der zeitlichen Ableitung der Enthalpie, Temperatur oder der Dichte des Speisewassers am Eingang des Dampferzeugers eine Korrektur des im Rahmen einer prädiktiven Massenstromregelung ermittelten Sollwerts für den Speisewassermassenstrom Ṁ ermöglicht ist, bei der auch den Ein- und Ausspeichervorgängen von thermischer Energie des Rohrmaterials geeignet Rechnung getragen werden kann. Damit ist gerade bei auftretenden Lastwechseln oder sonstigen transienten Vorgängen eine qualitativ besonders hochwertige Ermittlung eines bedarfsgerechten Sollwerts für den Speisewassermassenstrom Ṁ ermöglicht.
  • In den Figuren 1,2,3 und 4 sind Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Darin zeigt:
    • FIG 1
    eine schematische Darstellung eines indirekt beheizten solarthermischen Dampferzeugers mit Speisewasserdurchflussregelung für den stationären Betrieb,
    FIG 2
    eine schematische Darstellung eines indirekt beheizten solarthermischen Dampferzeugers in einer Weiterentwicklung für den instationären Betrieb mit prädiktiver Speisewassermassenstromsollwertermittlung,
    FIG 3
    eine schematische Darstellung eines indirekt beheizten solarthermischen Dampferzeugers in einer alternativen Ausführungsform für den instationären Betrieb mit prädiktiver Speisewassermassenstromsollwertermittlung,
    FIG 4
    eine schematische Darstellung einer indirekt beheizten solarthermischen Dampferzeugers in einer besonderen Weiterentwicklung für den instationären Betrieb mit prädiktiver Speisewassermassenstromsollwertermittlung.
  • FIG 1 zeigt ein schematisches Regelschaltbild einer Speisewasser-Sollwertermittlung für den stationären Betrieb eines solarthermischen Dampferzeugers 3 in einem Parabolrinnenkraftwerk 1. Dargestellt ist der indirekt beheizte, solarthermische Dampferzeuger 3, eine Vorrichtung zum Einstellen des Speisewassermassenstroms 5 und einer Speisewasserdurchflussregelung 11 als wesentliche Bestandteile. Die Schaltung ist Bestandteil eines solarthermisches Parabolrinnenkraftwerks 1, welches weiterhin noch hier nicht näher dargestellte Parabolrinnen und einen Kraftwerksteil mit einer Dampfturbine umfasst.
  • Der solarthermische Dampferzeuger 3 ist für die Zuführung von Thermoöl 4 als Wärmeträgermedium ausgelegt und thermoölseitig zuführend mit einer Thermoöl-Zuführleitung 13, und ableitend mit einer Thermoöl-Ausführleitung 14 verbunden. Der solarthermische Dampferzeuger 3 ist zudem speisewasserseitig zuführend mit einer Speisewasserzuführleitung 15 und ableitend mit einer Dampfleitung 16 verbunden. Durch den solarthermischen Dampferzeuger 3 kann somit Wärmeenergie von dem hoch erhitzten Thermoöl 4 auf das Speisewasser übertragen werden, wobei das Speisewasser verdampft wird.
  • Der solarthermische Dampferzeuger 3 ist zudem für eine geregelte Beaufschlagung mit Speisewasser ausgelegt. Die Vorrichtung zum Einstellen des Speisewassermassenstroms 5 umfasst einen Stellmotor 18, der ein Drosselventil 19 ansteuert, so dass über eine entsprechende Ansteuerung des Drosselventils 19 die von einer Speisewasserpumpe 17 in Richtung des solarthermischen Dampferzeugers 3 geförderte Speisewassermenge oder der Speisewassermassenstrom Ṁ einstellbar ist. Zur Ermittlung eines aktuellen Kennwerts für den zugeführten Speisewassermassenstrom Ṁ ist dem Drosselventil 19 in der Speisewasserzuführleitung eine Messeinrichtung 20 zur Ermittlung des Speisewassermassenstroms Ṁ durch die Speisewasserleitung vorgeschaltet. Der Stellmotor 18 ist über ein Regelelement 21 angesteuert, das eingangsseitig mit einem über eine Datenleitung 22 zugeführten Sollwert Ṁ s für den Speisewassermassenstrom Ṁ und mit dem über die Messeinrichtung 20 ermittelten aktuellen Istwert des Speisewassermassenstroms Ṁ beaufschlagt ist. Durch Differenzbildung zwischen diesen beiden Signalen wird ein Nachführungsbedarf übermittelt, sodass bei einer Abweichung des Ist- vom Sollwert eine entsprechende Nachführung des Drosselventils 19 über die Ansteuerung des Motors 18 erfolgt.
  • Zur Ermittlung eines Sollwerts Ṁ s für den Speisewassermassenstrom Ṁ ist die Datenleitung 22 eingangsseitig mit der zur Vorgabe des Sollwerts Ṁ s für den Speisewassermassenstrom Ṁ ausgelegten Speisewasserdurchflussregelung 11 verbunden.
  • Der Sollwert Ṁ s wird anhand einer Wärmestrombilanz in dem solarthermischen Dampferzeuger 3 über das Verhältnis aus dem aktuell in den solarthermischen Dampferzeuger 3 durch das Thermoöl 4 auf das Speisewasser übertragenen Wärmestrom einerseits und einer im Hinblick auf den gewünschten Frischdampfzustand vorgegebenen Sollwert-Enthalpieerhöhung des Speisewassers andererseits ermittelt. Zur Bereitstellung des Sollwerts Ṁ s weist die Speisewasserdurchflussregelung 11 ein Dividierglied 23 auf.
  • Der Zähler wird dem Dividierglied 23 von einem Funktionsmodul 24 bereit gestellt. Das Funktionsmodul 24 ermittelt die in den solarthermischen Dampferzeuger 3 eingebrachte Wärmeleistung Q̇ durch Multiplikation der Enthalpiedifferenz des Thermoöls 4 am Eintritt und am Austritt des solarthermischen Dampferzeugers 3 mit dem Massenstrom des Thermoöls 4. Zu Bereitstellung des Massenstroms des Thermoöls 4 vor Eintritt in den solarthermischen Dampferzeuger ist das Funktionsmodul 24 mit einer Messvorrichtung 31 verbunden, die in die Thermoöl-Zuführleitung 13 geschaltet ist. Zur Bereitstellung der Enthalpiedifferenz des Thermoöls 4 ist das Funktionsmodul 24 mit einer Auswerteeinheit 25 verbunden.
  • An die Auswerteeinheit 25 sind ein erstes Modul 27 zur Berechnung der Enthalpie am Einlass des solarthermischen Dampferzeugers 3 und ein zweites Modul 28 zur Berechnung der Enthalphie am Austritt des solarthermischen Dampferzeugers 3 angeschlossen. Das erste Modul 27 ist an eine erste Öltemperaturmesseinheit 29 angeschlossen, die in die Thermoöl-Zuführleitung 13 am Eintritt des solarthermischen Dampferzeugers 3 geschaltet ist, und das zweite Modul 28 ist an eine zweite Öltemperaturmesseinheit 30 angeschlossen, die in die Thermoöl-Ausführleitung 14 am Austritt des solarthermischen Dampferzeugers 3 geschaltet ist. Der Eintritt des Thermoöls bezeichnet dabei einen Bereich des solarthermischen Dampferzeugers 3 in dem noch keine Wärmeenergie des Thermoöls auf das Speisewasser übertragen wurde. Analog dazu ist der Austritt des Thermoöls ein Bereich des solarthermischen Dampferzeugers 3 in dem die Wärmeenergie des Thermoöls auf das Speisewasser entsprechend übertragen wurde. Die Messung des Massenstroms des Thermoöls erfolgt vor Eintritt in den Dampferzeuger.
  • Zur Bereitstellung des Nenners, also des Kennwerts für die gewünschte Enthalpieerhöhung (Aufwärmspanne) ist das Dividierglied 23 eingangsseitig mit einem Funktionsmodul 32 verbunden. Das Funktionsmodul 32 bildet die Enthalpiedifferenz aus einer berechneten Soll-Enthalpie am Austritt des solarthermischen Dampferzeugers 3 und einer gemessenen IstEnthalpie des Speisewassers vor Eintritt in den solarthermischen Dampferzeuger 3.
  • Den Ist-Wert der aktuellen Enthalpie des Speisewassers vor Eintritt in den solarthermischen Dampferzeuger 3 wird durch eine Auswerteeinheit 33 ermittelt, und an das Funktionsmodul 32 übertragen. Zur Ermittlung von Messdaten ist die Auswerteeinheit 33 dazu mit einer Druckmessvorrichtung 35 und mit einer Temperaturmessvorrichtung 36 verbunden, die beide jeweils in die Speisewasserzuführleitung 15 geschaltet sind.
  • Die Soll-Enthalpie am Austritt des solarthermischen Dampferzeugers 3 wird von einem Funktionsmodul 34 berechnet. Dieser Sollwert wird ermittelt aus der gewünschten Frischdampftemperatur (Frischdampftemperatursollwert) und dem gemessenen Druck am Austritt des solarthermischen Dampferzeugers 3. Die Daten über den Druck am Austritt des solarthermischen Dampferzeugers 3 werden dem Funktionsmodul 34 durch einen Drucksensor 37 bereitgestellt.
  • Durch eine Differenzbildung im Funktionsmodul 32 wird somit die in Abhängigkeit vom gewünschten Frischdampfzustand erforderliche Enthalpieerhöhung des Strömungsmediums im solarthermischen Dampferzeuger 3 ermittelt, die als Nenner im Dividierglied 23 verwendet wird. Das Dividierglied 23 errechnet daraus das erforderliche Massenstromsignal.
  • In Erweiterung zur FIG 1 zeigt FIG 2 ein Regelschaltbild zur prädiktiven Speisewassersollwertermittlung für den instationären Betrieb.
  • Bei instationären Vorgängen ändern sich im Dampferzeuger generell thermodynamische Zustandswerte wie beispielsweise die Frischdampftemperatur, der Druck (somit für unterkritische Systeme auch die Siedetemperatur des Strömungsmediums) sowie die Speisewassertemperatur. Infolge dieser Änderungen ist auch die Materialtemperatur der Dampferzeugerrohre nicht konstant und wird je nach Richtung größer oder kleiner. Folglich wird thermische Energie in die Rohrwände ein- oder aus den Rohrwänden ausgespeichert. Verglichen mit der bilanzierten Wärme des Thermoöls steht demnach für den Dampferzeugungsprozess des Strömungsmediums je nach Richtung der Materialtemperaturänderung temporär mehr oder weniger Wärme zur Verfügung.
  • Bei vorgegebenem Enthalpiesollwert bzw. Frischdampftemperatursollwert am Austritt des solarthermischen Dampferzeugers 3 ist daher zur Vorausberechnung des benötigten Speisewassermassenstromes dieser nicht unerhebliche Einfluss im Regelungskonzept zwangsläufig zu berücksichtigen. Erfindungsgemäß erfolgt dies durch einen Korrekturwert KT. Bei dem Korrekturwert KT handelt es sich um einen charakteristischen Wärmestromkennwert, durch den die Ein- und Ausspeichereffekte der Dampferzeugerrohre ermittelt werden können. Dies ist für unterkritische wie auch überkritische Systeme gleichermaßen anwendbar.
  • Zur Berücksichtigung des Korrekturwerts KT ist in FIG 2, in Erweiterung zu FIG 1 ein Subtrahierglied 40 vorgesehen, dass zwischen das Funktionsmodul 24 und das Dividierglied 23 geschaltet ist. Das Subtrahierglied 40 bildet die Differenz aus der in den Dampferzeuger eingebrachten Wärmeleistung Q̇ (Gesamtwärmeaufnahme) und dem Korrekturwert KT und leitet das Ergebnis als korrigierte eingebrachte Wärmemenge Q̇ Korr weiter zum Dividierglied 23.
  • Der Korrekturwert KT wird dem Subtrahierglied durch ein Differenzierglied 41 bereit gestellt. Für das Differenzierglied 41 ist als Eingangssignal eine mittlere Materialtemperatur aller Dampferzeugerrohre zu definieren und zu verwenden. Hier kann zum Beispiel über die aus dem Prozess bekannten Größen Frischdampftemperatur, Systemdruck und Speisewassertemperatur die mittlere Materialtemperatur bestimmt werden. Ändert sich nun diese mittlere Materialtemperatur und wird diese zeitliche Änderung (ausgewertet über das Differenzierglied 41) mit der Masse der gesamten Dampferzeugerrohre und der spezifischen Wärmekapazität des Verdampfermaterials multipliziert, können die in der Rohrwand ein- bzw. ausgespeicherten Wärmemengen in Form des Korrekturwertes KT quantifiziert werden. Durch die Wahl einer geeigneten Zeitkonstanten des Differenzierglieds 41 lässt sich das zeitliche Verhalten der beschriebenen Speichereffekte relativ genau nachbilden, so dass dieser auf instationären Vorgängen beruhende zusätzliche Effekt des Ein- bzw. Ausspeicherns von Wärme der Metallmassen direkt berechnet werden kann.
  • FIG 3 zeigt eine alternative Ausführungsform der in FIG 2 gezeigten prädiktiven Speisewassermassenstromsollwertermittlung. Neben dem Differenzierglied 41, welches die Speichereffekte in Metallmassen ermittelt, ist ein weiteres Differenzierglied 45 vorgesehen, durch das die Speichereffekte von thermischer Energie in das Thermoöl ermittelt werden. Das Differenzierglied 45 wertet dazu ebenfalls aus dem Prozess bekannte Parameter wie beispielsweise die gemessene Öltemperatur am Dampferzeugereintritt oder Dampferzeugeraustritt oder eine zuvor aus diesen beiden Temperaturmesswerten funktional bestimmte mittlere Öltemperatur zeitlich aus. Wird nun das Ausgangssignal dieses Differenzierglieds 45 mit dem gesamten Ölvolumen, der Dichte und der spezifischen Wärmekapazität des Öls multipliziert, können die in das Thermoöl ein- bzw. ausgespeicherten Wärmemengen ebenfalls quantifiziert werden. Mit einer geeigneten Zeitkonstanten des Differenzierglieds 45 lässt sich das zeitliche Verhalten der Speichereffekte in das Thermoöl gut nachbilden. Dadurch kann dieser auf instationären Vorgängen beruhende zusätzliche Effekt des Ein- bzw. Ausspeicherns von Wärme in das Thermoöl direkt berechnet werden.
  • Die Ausgangssignale des Differenzierglieds 41 und des Differenzierglieds 45 werden in einem Funktionsglied 45 summiert und bilden den Korrekturwert KT, der als Eingangssignal dem Subtrahierglied 40 bereitgestellt wird.
  • FIG 4 zeigt eine schematische Darstellung einer indirekt beheizten solarthermischen Dampferzeugers in einer besonderen Weiterentwicklung für den instationären Betrieb mit prädiktiver Speisewassermassenstromsollwertermittlung.
  • Störungen der Speisewassertemperatur am Eintritt des solarthermischen Dampferzeugers 3 wirken sich maßgeblich auf dessen Durchströmung aus. Konkret bedeutet dies, dass mit sinkender Speisewassertemperatur das spezifische Volumen des Strömungsmediums im Eintrittsbereich des solarthermischen Dampferzeugers 3 abnimmt. Aufgrund dieses Vorgangs wird zusätzliches Speisewasser benötigt, welches das nun nicht ausgeschöpfte Volumen der Dampferzeugerrohre zu füllen hat (es wird Speisewasser eingespeichert). Steigt hingegen die Speisewassertemperatur an, tritt der umgekehrte Mechanismus ein. Ist nun infolge instationärer Vorgänge die Speisewassertemperatur am Austritt des solarthermischen Dampferzeugers Änderungen unterworfen, so ist mit den daraus resultierenden speisewasserseitigen Ein- und Ausspeichervorgänge der Ein- und Austrittsmassenstrom des solarthermischen Dampferzeugers 3 nicht identisch. Dies hat unmittelbar einen Einfluss auf die Dampferzeugeraustrittsenthalpie (Frischdampftemperatur), die unter diesen Umständen selbst bei konstantem Wärmeeintrag nicht konstant bleiben kann. Daher werden die Auswirkungen schwankender Speisewassertemperaturen am Eintritt des solarthermischen Dampferzeugers 3 ebenfalls durch Gegenmaßnahmen der Speisewassersollwertermittlung (Erhöhung oder Erniedrigung des Speisewassermassenstroms) kompensiert. Dies erfolgt durch den Korrekturwert KF.
  • Ausgehend von FIG 3 ist in FIG 4 weiterhin ein Addierglied 42 dargestellt, das in die Datenleitung 22 geschaltet ist, und den Sollwerts Ṁ s um den Korrekturwert KF korrigiert. Das Addierglied ist Bestandteil der Speisewasserdurchflussregelung 11. Der Korrekturwert KF wird dem Addierglied 42 über ein Differenzierglied 43 zugeführt. Das Differenzierglied 43 umfasst dabei als Eingangssignal Daten wie z.B. Eintrittsunterkühlung des Dampferzeugers, Eintrittsenthalpie des Dampferzeugers oder die Speisewassertemperatur selbst. In Abhängigkeit dieses Eingangssignals ist das Differenzierglied 43 mit einer passenden Zeitkonstanten und einer geeigneten Verstärkung zu parametrieren, um die Enthalpieschwankungen (Schwankungen der Frischdampftemperatur) am Austritt des solarthermischen Dampferzeugers 3 effektiv zu vermindern.
  • Wird die erfindungsgemäße Speisewassersollwertermittlung in ölbeheizten, solarthermischen Dampferzeugern 3 eingesetzt, können auch für stark instationäre Betriebszustände, wie sie in solarbeheizten Kraftwerken vermehrt auftreten (z.B Wolkendurchzug) konstante Frischdampftemperaturen im BENSON Modus sichergestellt werden. Neben einer somit sicheren Fahrweise bei sich ändernden Wetterbedingungen kann durch ein Material schonendes Konzept die Verfügbarkeit der gesamten Anlage verbessert werden. Darüber hinaus eignet sich das erfindungsgemäße Konzept auch für einen modularen Einsatz in mehreren solarbeheizten Dampferzeugern eines einzelnen Parabolrinnen-Kraftwerks. Zusätzlich kann das Konzept auch ohne nennenswerte Änderungen in Kombination mit anderen Komponenten wie beispielsweise Einspritzkühler verwendet werden.
  • Durch das Verfahren gemäß der Erfindung wird somit in Abhängigkeit des vorhandenen Wärmeangebots der Solarstrahlung immer genau der erforderliche Speisewassermassenstrom durch den solarthermischen Dampferzeuger 3 zur Verfügung gestellt, um den geforderten bzw. gewünschten Frischdampfmassenstrom am Austritt des solarthermischen Dampferzeugers 3 (Frischdampftemperatur) auch während instationärer Vorgänge insbesondere bei Wolkendurchzug durch das Solarfeld zu gewährleisten.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betrieb eines indirekt beheizten, solarthermischen Dampferzeugers (3) mit einem Wärmeträgermedium (4), dass die über die Sonne eingebrache Wärme aufnimmt und in Dampferzeugerrohre des Dampferzeugers eintretendes Speisewasser abgibt, bei dem einer Vorrichtung (5) zur Einstellung des Speisewassermassenstroms Ṁ ein Sollwert Ṁ s für den Speisewassermassenstrom Ṁ zugeführt wird, wobei bei der Einstellung des Sollwerts Ṁ s für den Speisewassermassenstrom Ṁ ein Korrekturwert KT berücksichtigt wird, durch den thermische Speichereffekte von ein- oder ausgespeicherter thermischer Energie in den Dampferzeuger korrigiert werden, wobei durch den Korrekturwert KT thermische Speichereffekte von ein- oder ausgespeicherter thermischer Energie in das Wärmeträgermedium (4) korrigiert werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei durch den Korrekturwert KT thermische Speichereffekte von ein- oder ausgespeicherter thermischer Energie in die Rohrwände des solarthermischen Dampferzeugers (3) korrigiert werden.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei bei der Einstellung des Sollwerts Ṁ s die Gesamtwärmemenge Q des solarthermischen Dampferzeugers (3) berücksichtigt wird, die ermittelt wird aus dem Produkt aus
    - der Enthalpiedifferenz zwischen der Enthalpie des Wärmeträgermediums (4) am Eintritt des solarthermischen Dampferzeugers (3) und der Enthalpie des Wärmeträgermediums (4) am Austritt des solarthermischen Dampferzeugers (3) und
    - dem gemessenen Massenstrom des Wärmeträgermediums (4) vor dem Eintritt des solarthermischen Dampferzeugers (3).
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei bei der Einstellung des Sollwerts Ṁ s weiterhin ein Korrekturwert KF berücksichtigt wird, wobei durch den Korrekturwert KF die in die Dampferzeugerrohre des solarthermischen Dampferzeugers (3) ein- oder ausgespeicherten Speisewassermengen korrigiert werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Korrekturwert KF bestimmt wird unter Nutzung der Speisewasser-Eintrittsunterkühlung oder der Speisewasser-Eintrittsenthalpie oder der Speisewassertemperatur.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der solarthermische Dampferzeuger (3) integriert ist in ein solarthermisches Parabolrinnenkraftwerk (1) mit einer Anzahl an Parabolrinnen (4), durch die das Wärmeträgermedium solarthermisch erwärmt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Wärmeträgermedium ein Thermoöl, eine Salzschmelze oder eine Metallschmelze ist.
  8. Indirekt beheizter solarthermischer Dampferzeuger (3) mit einem Wärmeträgermedium (4) und mit einer Vorrichtung (5) zum Einstellen des Speisewassermassenstroms Ṁ, die anhand eines Sollwerts Ṁ s für den Speisewassermassenstrom Ṁ geführt ist, wobei eine zugeordnete Speisewasserdurchflussregelung (11) zur Vorgabe des Sollwerts Ṁ s anhand des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgelegt ist.
  9. Indirekt beheizter solarthermischer Dampferzeuger (3) nach Anspruch 8, der in ein solarthermisches Parabolrinnenkraftwerk (1) integriert ist, und zur Zuführung des (überhitzten) Wärmeträgermediums (4) mit einer Anzahl an Parabolrinnen (2) verbunden ist, die durch fokussierte solare Inzidenz direkt beaufschlagbar sind.
  10. Indirekt beheizter solarthermischer Dampferzeuger (3) nach Anspruch 8 oder 9, wobei das Wärmeträgermedium ein Thermoöl, eine Salzschmelze oder eine Metallschmelze ist.
EP12704388.3A 2011-02-17 2012-02-06 Verfahren zum betrieb eines solarthermischen parabolrinnenkraftwerks Not-in-force EP2638251B1 (de)

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